Signal Injection Sensorless Control Scheme of Synchronous Machines Exploiting the Estimated Signal Injection and Observation Angles

Abstract

This thesis proposes a signal injection-based sensorless control (SISC) of synchronous machines exploiting the estimated signal injection and observation angles. The proposed method injects HF voltage signals into the estimated injection coordinates d-axis and extracts the position error signal from the induced HF current ripple in the estimated observation angle. The key of the proposed method is that the center of the estimated injection and observation angles is the estimated rotor angle, where the angle difference is determined according to dynamic inductance. The pure position error signal can be obtained if the angle difference is accurate, meaning the position state filter estimates the accurate rotor angle. The current control is performed based on the estimated rotor angle. Compared to the existing method that requires significant effort to determine the auxiliary angle and the compensation value, the proposed method is easy to implement. Because 1) the current compensation and the angle compensation are not used, 2) two auxiliary angles are determined according to the estimated rotor angle and the angle difference, and 3) the angle difference can be calculated from the dynamic inductance, where the inductance can be obtained from the widely used flux table or flux saturation model. So, only dynamic inductance is required to implement the proposed method. This means that 1) no pre-test only for the sensorless control is not required, and 2) an accurate SISC can be implemented without a position sensor or rotor-locking device. Experiments were performed using a 1.5 kW SynRM and 11 kW IPMSM to verify the proposed method, where the two synchronous machines are for a general purpose. The flux saturation model-based implementation of the proposed method is described in this thesis. The verification results proved 1) the SISC can be implemented without a significant engineering effort and 2) the SISC performance can be improved thanks to an accurate position estimation with the proposed method. |본 학위 논문은 추정된 신호 주입 각과 관측 각을 이용한 동기 전동기의 새로운 신호 주입 센서리스 제어 기법을 제안한다. 제안된 방법은 고주파 전압 신호를 신호 주입 좌표계 d 축에 주입하고, 관측 좌표계 고주파 전류 리플을 이용하여 각 오차 신호를 추출한다. 제안된 방법의 핵심은 추정된 회전자 각이 두 보조 각(신호 주입 각과 관측 각)의 중간에 위치한다는 것이다. 보조 각과 회전자 각의 차이는 각 차이라고 정의되고, 이 값은 동적 인덕턴스 값에 따라 결정된다. 각 차이가 정확하다면, 고주파 전류 신호로부터 순수한 각 오차 신호를 추출할 수 있고, 이 때 위치 상태 필터는 정확한 회전자 각을 추정한다. 제안된 방법에서 전류 제어는 추정된 회전자 각을 기반으로 수행된다. 기존 신호 주입 센서리스 제어 기법은 정확한 각 추정을 위해 보조 각과 보상 값을 사용한다. 보조 각으로 신호 주입 각과 관측 각이 있고, 보상으로 각 보상과 전류 보상이 있다. 기존 방법은 보조 각과 보상 값을 선정하기 위해 상당한 노력이 요구되고, 여기에는 FEA, 실험, 오프라인 연산 등이 포함된다. 이에 비해, 제안된 방법은 구현이 매우 간단하다. 그 이유는 1) 전류 및 각 보상이 사용되지 않고, 2) 두 보조 각이 추정된 회전자 각과 각 차이에 따라 결정되며, 각 차이는 동적 인덕턴스 값으로 계산 가능하기 때문이다. 동적 인덕턴스 값은 포화 전동기의 전류 제어를 위해 널리 사용되는 자속 테이블과 자속 포화 모델로부터 간단히 계산 가능하다. 결론적으로, 제안된 방법은 1) 센서리스 제어 기법을 위한 사전 실험을 요구하지 않고, 2) 구현을 위해 회전자 고정 장치 또는 회전자 위치 센서가 필요하지 않으며, 3) 정확한 각 추정이 가능하다는 장점이 있다. 제안된 방법을 검증하기 위해, 1.5 kW SynRM과 11 kW IPMSM을 사용하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 두 전동기는 모두 범용 전동기이다. 본 논문에는 자속 포화 모델 기반 구현 방법과 실험 검증 결과가 포함되어 있다. 실험 검증 결과는 1) 제안된 방법의 구현이 기존 방법에 비해 매우 간단하고, 2) 제안된 방법으로 정확한 각 추정이 가능하다는 것을 증명한다.